Perburuan lubang hitam mini yang hilang akibat Big Bang mungkin akan semakin intensif.
Sama seperti lintasan lubang hitam kecil yang tampaknya semakin dingin, tim ilmuwan internasional telah menemukan bukti dalam fisika kuantum yang dapat membuka kembali kasus tersebut. Salah satu alasan mendesaknya pencarian lubang hitam primordial adalah karena mereka telah diusulkan sebagai kandidat potensial materi gelap.
Materi gelap membentuk 85% massa alam semesta, namun ia tidak berinteraksi dengan cahaya seperti halnya materi sehari-hari. Ini adalah bahan atom yang membentuk bintang, planet, bulan, dan tubuh kita. Namun, materi gelap berinteraksi dengan gravitasi dan efek ini dapat terjadi dampak “Materi biasa” dan cahaya. Sempurna untuk pekerjaan detektif kosmik.
Jika lubang hitam dari Big Bang memang ada, ukurannya akan sangat kecil – bahkan ada yang hanya sebesar uang receh – sehingga memiliki massa yang setara dengan asteroid atau planet. Namun, seperti lubang hitam yang lebih besar, lubang hitam bermassa bintang, yang bisa mencapai 10 hingga 100 kali massa Matahari, lubang hitam supermasif, yang bisa mencapai jutaan atau bahkan miliaran kali massa Matahari, dan lubang hitam mini. dari matahari . Fajar waktu akan dikelilingi oleh permukaan yang memerangkap cahaya yang disebut cakrawala peristiwa. Cakrawala peristiwa mencegah lubang hitam memancarkan atau memantulkan cahaya, menjadikan lubang hitam primordial kecil sebagai kandidat kuat bagi materi gelap. Mereka mungkin cukup kecil sehingga tidak ada yang menyadarinya, tetapi cukup kuat untuk mempengaruhi ruang.
Terkait: Lubang hitam kecil yang ditinggalkan oleh Big Bang mungkin merupakan penyebab utama materi gelap
Tim ilmuwan – dari Pusat Penelitian Alam Semesta Awal (RESCEU) dan Institut Kavli untuk Fisika dan Matematika Alam Semesta (Kavli IPMU, WPI) di Universitas Tokyo – menerapkan kerangka teori yang menggabungkan teori medan klasik dan teori Einstein sendiri. Teori relativitas dan mekanika kuantum hingga alam semesta awal. Yang terakhir ini menjelaskan perilaku partikel seperti elektron dan quark dan memunculkan apa yang disebut teori medan kuantum (QFT).
Penerapan QFT pada alam semesta yang baru lahir membuat tim percaya bahwa jumlah lubang hitam primordial hipotetis di alam semesta jauh lebih sedikit dibandingkan perkiraan banyak model saat ini. Jika ini masalahnya, maka keberadaan lubang hitam primordial sebagai materi gelap akan dikesampingkan.
“Kami menyebutnya lubang hitam primordial, dan banyak peneliti merasa mereka adalah kandidat kuat materi gelap, namun jumlahnya harus banyak untuk memenuhi teori ini,” kata Jason Christiano, mahasiswa pascasarjana di Universitas Tokyo. Dia mengatakan dalam sebuah pernyataan. “Ini menarik karena alasan lain juga. Sejak inovasi terbaru dalam astronomi gelombang gravitasi, telah terjadi penemuan penggabungan lubang hitam biner, yang dapat dijelaskan jika lubang hitam purba ada dalam jumlah besar.
“Namun terlepas dari alasan-alasan kuat mengenai prediksi kelimpahan mereka, kami belum melihat satu pun dari mereka secara langsung, dan sekarang kami memiliki model yang dapat menjelaskan mengapa hal ini terjadi.”
Kembali ke Big Bang untuk mencari lubang hitam purba
Model yang paling disukai dalam kosmologi menunjukkan bahwa alam semesta dimulai sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu pada periode awal inflasi yang cepat: Big Bang.
Setelah partikel pertama muncul di alam semesta selama ekspansi awal ini, ruang akhirnya menjadi cukup dingin untuk memungkinkan elektron dan proton berikatan dan membentuk atom pertama. Saat itulah unsur hidrogen lahir. Selain itu, sebelum pendinginan ini terjadi, cahaya tidak mampu melintasi alam semesta. Ini karena elektron menyebarkan foton, yang merupakan partikel cahaya, tanpa henti. Jadi, selama Abad Kegelapan ini, alam semesta pada dasarnya gelap.
Namun, begitu elektron bebas dapat berikatan dengan proton dan berhenti memantul, cahaya akhirnya dapat merambat dengan bebas. Setelah peristiwa ini, yang disebut “hamburan terakhir”, dan selama periode berikutnya yang dikenal sebagai “era reionisasi”, alam semesta segera menjadi transparan terhadap cahaya. Cahaya pertama yang bersinar di alam semesta saat ini masih dapat dilihat saat ini sebagai medan radiasi yang sebagian besar seragam, sebuah “fosil” global yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik, atau CMB.
Sementara itu, atom hidrogen yang tercipta kemudian membentuk bintang-bintang pertama, galaksi-galaksi pertama, dan gugus-gugus galaksi pertama. Tentu saja, beberapa galaksi tampaknya memiliki massa yang lebih besar daripada yang dapat dihitung oleh komponen-komponennya, dan kelebihan ini semata-mata disebabkan oleh materi gelap.
Meskipun lubang hitam bermassa bintang terbentuk dari keruntuhan dan kematian bintang masif, dan lubang hitam supermasif tumbuh dari penggabungan lubang hitam yang lebih kecil secara berturut-turut, lubang hitam primordial sudah ada sebelum bintang, sehingga pasti memiliki asal usul yang unik.
Beberapa ilmuwan percaya bahwa kondisi di alam semesta awal yang panas dan padat sedemikian rupa sehingga potongan-potongan materi yang lebih kecil dapat runtuh karena gravitasinya sendiri dan melahirkan lubang hitam kecil ini, dengan cakrawala peristiwa yang lebarnya tidak lebih dari satu sen, atau mungkin lebih kecil dari satu proton. , tergantung. Blokir mereka.
Tim di balik penelitian ini sebelumnya telah melihat model lubang hitam primordial di alam semesta awal, namun model ini gagal sesuai dengan pengamatan CMB. Untuk memperbaikinya, para ilmuwan menerapkan koreksi terhadap teori terkemuka pembentukan lubang hitam purba. Koreksi dilaporkan oleh QFT.
“Pada awalnya, alam semesta sangatlah kecil, jauh lebih kecil dari ukuran satu atom. Inflasi kosmik meningkat dengan cepat sebesar 25 kali lipat,” kata Kavli IPMU dan Direktur RESCEU Jun’ichi Yokoyama dalam pernyataannya. “Pada saat itu, gelombang yang merambat melalui ruang sekecil itu akan memiliki amplitudo yang relatif besar tetapi panjang gelombangnya sangat pendek.”
Tim menemukan bahwa gelombang kecil namun kuat ini dapat mengalami amplifikasi menjadi gelombang yang jauh lebih besar dan lebih panjang yang terlihat oleh para astronom di CMB saat ini. Tim yakin amplifikasi ini adalah hasil koherensi antara gelombang pendek awal, yang dapat dijelaskan dengan menggunakan QFT.
“Meskipun gelombang pendek individu relatif tidak berdaya, kelompok yang kohesif akan memiliki kemampuan untuk membentuk kembali gelombang yang jauh lebih besar daripada diri mereka sendiri,” kata Yokoyama. “Ini adalah contoh langka di mana teori tentang sesuatu pada satu skala ekstrem tampaknya menjelaskan sesuatu pada skala yang lain.”
Jika teori tim yang menyatakan bahwa fluktuasi awal dalam skala kecil di alam semesta dapat tumbuh dan mempengaruhi fluktuasi skala besar di CMB benar, hal ini akan mempengaruhi bagaimana struktur di alam semesta tumbuh. Mengukur fluktuasi CMB dapat membantu membatasi besarnya fluktuasi awal alam semesta awal. Hal ini pada gilirannya membatasi fenomena yang bergantung pada fluktuasi yang lebih pendek, seperti lubang hitam primordial.
“Diyakini secara luas bahwa runtuhnya panjang gelombang pendek namun kuat di alam semesta awal adalah penyebab terciptanya lubang hitam primordial,” kata Christiano. “Studi kami menunjukkan bahwa jumlah lubang hitam primordial jauh lebih sedikit daripada yang dibutuhkan jika mereka memang merupakan kandidat kuat materi gelap atau peristiwa gelombang gravitasi.”
Lubang hitam primordial saat ini merupakan hipotesis yang terkonfirmasi. Hal ini karena sifat lubang hitam bermassa bintang yang memerangkap cahaya membuat objek yang lebih besar sulit untuk dilihat. Jadi bayangkan betapa sulitnya menemukan lubang hitam dengan cakrawala peristiwa seukuran uang receh.
Kunci untuk menemukan lubang hitam purba mungkin tidak terletak pada “astronomi konvensional”, tetapi pada pengukuran riak kecil di ruang-waktu yang disebut gelombang gravitasi. Meskipun detektor gelombang gravitasi saat ini tidak cukup sensitif untuk mendeteksi riak di ruangwaktu yang disebabkan oleh tabrakan lubang hitam primordial, proyek masa depan, seperti Laser Interferometer Space Antenna (LISA), akan membawa deteksi gelombang gravitasi ke luar angkasa. Hal ini dapat membantu mengkonfirmasi atau menolak teori tim, membawa para ilmuwan lebih dekat untuk mengkonfirmasi apakah lubang hitam purba bertanggung jawab atas materi gelap.
Penelitian tim tersebut dipublikasikan pada Rabu (29 Mei) di jurnal Physical Review Letters.
More Stories
Legiuner berangkat dalam dua kapal pesiar terpisah yang terkait dengan fitur kemewahan khusus ini: lapor
SpaceX meluncurkan 23 satelit Starlink dari Florida (video dan foto)
NASA mengatakan “Komet Halloween” tidak selamat saat melintasi matahari